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当前位置：&>>&&>>&&>>&二极管工作原理
&&& 那是1947年的一个冬天，贝尔实验室的三位科学家发明了三极管，改变了世界，推动了全球的半导体工业。于是10年后又一个冬天，哥仨一起获得了诺贝尔物理学奖。然而这三极管可不是被凭空发明出来的，从结构上看，她是由两个组成，绝逼二极管“干儿子”。今天电子产品世界小编为您带来 “干爹”二极管的传奇故事。
&&& 1 二极管=PN结+马甲儿
&&& 在半导体性能被发现后，二极管成为了世界上第一种半导体器件，目前最常见的结构是，在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管，甚至可以说二极管实际上就是由一个PN结构成的，因此二极管工作原理约等于PN的工作原理，小编从源头讲讲二极管(PN结)到底是怎么来的?
&&& 1.1 二极管PN节的好哥俩：P型半导体、N型半导体
&&& 我们一般根据导电能力(率)的不同将物体来划分导体、绝缘体和半导体。更通俗地讲，完全纯净的、不含杂质的半导体称为本征半导体。主要常见代表有硅、锗这两种元素的单晶体结构。但实际半导体不能绝对的纯净，这类半导体称为杂质半导体。
&&& P型半导体
&&& 如果我们在纯硅中掺入少许的硼(最外层有3个电子)，就反而少了1个电子，而形成一个空穴，这样就形成P型半导体(少了1个带负电荷的原子，可视为多了1个正电荷)。因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。
&&& 在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成;自由电子是少数载流子，由热激发形成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。
&&& N型半导体
&&& 如果在纯硅中掺杂少许的砷或磷(最外层有5个电子)，就会多出1个自由电子，这样就形成N型半导体，因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子，如图1所示。
&&& 在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供;空穴是少数载流子,由热激发形成。提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。
&&& 1.2 PN结=P∩N(注：“∩”交集)
&&& 在一块完整的硅片上，用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体另一边形成P型半导体后，两种半导体的交界面附近的区域为PN结，如图3所示。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。
&&& PN结的每端都带电子，这样排列使电流只能从一个方向流动。当没有电压通过二极管时，电子就沿着过渡层之间的汇合处从N型半导体流向P型半导体，从而形成一个耗尽区。在损耗区中，半导体物质会回复到它原来的绝缘状态--所有的这些“电子空穴”都会被填满，所以就没有自由电子，也就没有电流流动。
&&& 2二极管PN节的单向导电特性---最最最最最重要!
&&& 2.1二极管小实验
&&& 在电子电路中，将二极管的正极(P区)接在高电位端，负极(N区)接在低电位端，二极管就会导通，这种连接方式称为正向偏置。必须说明，当加在二极管两端的正向电压很小时，二极管仍然不能导通，流过二极管的正向电流十分微弱。只有当正向电压达到某一数值(这一数值称为“门槛电压”，锗管约为0.2V，硅管约为0.6V)以后，二极管才能直正导通。导通后二极管两端的电压基本上保持不变(锗管约为0.3V，硅管约为0.7V)，称为二极管的“正向压降”。
&&& 将二极管的正极(P区)接在低电位端，负极(N区)接在高电位端，此时二极管中几乎没有电流流过，此时二极管处于截止状态，这种连接方式，称为反向偏置。二极管处于反向偏置时，仍然会有微弱的反向电流流过二极管，称为漏电流。当二极管两端的反向电压增大到某一数值，反向电流会急剧增大，二极管将失去单方向导电特性，此时二极管被击穿,这就是二极管的反向击穿特性，将在下一节介绍。
&&& 2.2 二极管上升到理论
&&& 为了除掉耗尽区，就必须使N型向P型移动和空穴应反向移动。为了达到目的，将PN结N极连接到电源负极，P极连接到正极。这时在N型半导体的自由电子会被负极电子排斥并吸引到正极电子，在P型半导体的电子空穴就移向另一方向。当电压在电子之间足够高的时候，在耗尽区的电子将会在它的电子空穴中和再次开始自由移动，耗尽区消失，电流流通过二极管，如图4所示。
&&& 若P极接到电源负极，N型接到正极。这时电流将不会流动。N型半导体的负极电子被吸引到正极电子。P型半导体的正极电子空穴被吸引到负极电子。因为电子空穴和电子都向错误的方向移动，所以就没有电流流通过汇合处，耗尽区增加，如图5所示。
&&& PN结V-I 特性表达式(伏安特性曲线如图6所示)
&&& 其中，IS ――反向饱和电流;
&&& VT ――温度的电压当量;
&&& 且在常温下(T=)时，
&&& 2.3总结
&&& PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流;
&&& PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。
&&& PN结具有单向导电性。
&&& 3二极管PN节的反向击穿―大大的有用!
&&& 当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。发生反向击穿时，在反向电流很大的变化范围内，PN结两端电压几乎不变，如图7所示。反向击穿分为电击穿和热击穿，PN结热击穿后电流很大，电压又很高，消耗在结上的功率很大，容易使PN结发热，把PN结烧毁。热击穿是不可逆的。PN结电击穿从其产生原因又可分为雪崩击穿和齐纳击穿两种类型。
&&& 雪崩击穿
&&& 当PN结反向电压增加时，空间电荷区中的电场随着增强。通过空间电荷区的电子和空穴，在电场作用下获得的能量增大，在晶体中运动的电子和空穴，将不断地与晶体原子发生碰撞，当电子和空穴的能量足够大时，通过这样的碰撞，可使共价键中的电子激发形成自由电子―空穴对，这种现象称为碰撞电离。新产生的电子和空穴与原有的电子和空穴一样，在电场作用下，也向相反的方向运动，重新获得能量，又可通过碰撞，再产生电子―空穴对，这就是载流子的倍增效应。当反向电压增大到某一数值后，载流子的倍增情况就像在陡峻的积雪山坡上发生雪崩一样，载流子增加得多而快，使反向电流急剧增大，于是PN结就发生雪崩击穿。
&&& 雪崩击穿多发生在杂质浓度较低的二极管，一般需要比较高的电压(&6V)，击穿电压与浓度成反比。
&&& 齐纳击穿
&&& 在加有较高的反向电压下，PN结空间电荷区中存在一个强电场，它能够破坏共价键将束缚电子分离出来造成电子―空穴对，形成较大的反向电流。发生齐纳击穿需要的电场强度约为2*105V/cm，这只有在杂质浓度特别大的PN结中才能达到，因为杂质浓度大，空间电荷区内电荷密度(即杂质离子)也大，因而空间电荷区很窄，电场强度就可能很高。一般掺杂浓度没有这么高，它在电击穿中多数是雪崩击穿造成的。
&&& 齐纳击穿多数出现在杂质浓度较高的二极管，如()。
&&& 必须指出，上述两种电击穿过程是可逆的，当加在稳压管两端的反向电压降低后，管子仍可以恢复原来的状态。但它有一个前提条件，就是反向电流和反向电压的乘积不超过PN结容许的耗散功率，超过了就会因为热量散不出去而使PN结温度上升，直到过热而烧毁，这种现象就是热击穿。所以热击穿和电击穿的概念是不同的。电击穿往往可为人们所利用(如稳压管)，而热击穿则是必须尽量避免的。
&&& 小问题
&&& 1 PN结的反向击穿电压是多少?
&&& 采取适当的掺杂工艺，将硅PN结的雪崩击穿电压可控制在8～1000V。而齐纳击穿电压低于5V。在5～8v之间丽种击穿可能同时发生。
&&& 2 二极管三极管和稳压管是否一样呢?
&&& 不一样,BC结的反向击穿电压低的几十伏,高的数百伏,但有一点是一样的,就是NPN管的BE结反向击穿电压都是6V左右,因此NPN管的BE结可当6V稳压管用。
&&& 补充：应该是所有硅材料管(PNP和NPN)的BE结都有反向击穿电压都是6V这特性，利用这特性可鉴别管子的C和E脚，用10K档分别测BC和BE的反向电阻，击穿的是BE结。
&&& 4 二极管PN结的极间电容
&&& PN结的P型和N型两快半导体之间构成一个电容量很小的电容，叫做“极间电容”(如图所示)。由于电容抗随频率的增高而减小。所以，PN结工作于高频时，高频信号容易被极间电容或反馈而影响PN结的工作。但在直流或低频下工作时，极间电容对直流和低频的阻抗很大，故一般不会影响PN结的工作性能。PN结的面积越大，极间电容量越大，影响也约大，这就是面接触型二极管(如整流二极管)和低频三极管不能用于高频工作的原因。
&&& 5 测试二极管好坏
&&& 二极管比较容易损坏的元件，其烧坏容易造成线路短路或断路的情况，影响电器正常工作，因此需要掌握测试二极管好坏的方法。
&&& 关于如何使用数字万用表，请参考小编的《数字万用表使用方法》，这里主要介绍数字万用表测试二极管好坏。
&&& 1) 辨别出二极管的正负极，有白线的一端为负极，另一端为正极。
&&& 2) 将万用表上的旋钮拨到通断档位，并将红黑表笔插在万用表的正确位置。
&&& 3) 将红表笔接二极管正极，黑表笔接负极。然后观察读数，如果满溢(即显示为1)，则二极管已坏。若有读数，则交换表笔，若还有读数而不满溢，则二极管坏。
&&& 4) 如果是发光二极管，若二极管正常，则可以看到微弱的亮光，长脚为正极。
&&& 6 二极管的主要参数
&&& 1 额定正向工作电流
&&& 二极管长期连续工作时允许通过的最大正向电流值。因为电流通过管子时会使管芯发热，温度上升，温度超过容许限度(硅管为140左右，锗管为90左右)时，就会使管芯过热而损坏。所以，二极管使用中不要超过二极管额定正向工作电流值。
&&& 2 最高反向工作电压
&&& 加在二极管两端的反向电压高到一定值时，会将管子击穿，失去单向导电能力。为了保证使用安全，规定了最高反向工作电压值。
&&& 3 反向电流
&&& 二极管在规定的温度和最高反向电压作用下，流过二极管的反向电流。反向电流越小，管子的单方向导电性能越好。值得注意的是反向电流与温度有着密切的关系，大约温度每升高10，反向电流增大一倍。
&&& 4 最高工作频率fM(MC)
&&& 二极管能承受的最高频率。通过PN结交流电频率高于此值，二极管接不能正常工作。
&&& 5 最高反向工作电压VRM(V)
&&& 二极管长期正常工作时，所允许的最高反压。若越过此值，PN结就有被击穿的可能，对于交流电来说，最高反向工作电压也就是二极管的最高工作电压。
&&& 6 最大整流电流IOM(mA)
&&& 二极管能长期正常工作时的最大正向电流。因为电流通过二极管时就要发热，如果正向电流越过此值，二极管就会有烧坏的危险。所以用二极管整流时，流过二极管的正向电流(既输出直流)不允许超过最大整流电流。
&&& 文章至此，二极管的工作原理就介绍完了。
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二极管是最常用的电子元件之一，它最大的特性就是单向导电，也就是电流只可以从二极管的一个方向流过，二极管的作用有整流电路，检波电路，稳压电路，各种调制电路，主要都是由二极管来构成的，其原理都很简单，正是由于二极管等元件的发明，才有我们现 在丰富多彩的电子信息世界的诞生，既然二极管的作用这么大那么我们应该如何去检测这个元件呢，其实很简单只要用万用表打到电阻档测量一下反向电阻如果很小就说明这个二极管是坏的，反向电阻如果很大这就说明这个二极管是好的。对于这样的基础元件我们应牢牢掌握住他的作用原理以及基本电路，这样才能为以后的电子技术学习打下良好的基础。
二极管是由管芯、管壳和两个电极构成。管芯就是一个PN结，在PN结的两端各引出一个引线，并用塑料、玻璃或金属材料作为封装外壳，就构成了晶体二极管，如下图所示。P区的引出的电极称为正极或阳极，N区的引出的电极称为负极或阴极。
二极管的伏安特性
半导体二极管的核心是PN结，它的特性就是PN结的特性&&单向导电性。常利用伏安特性曲线来形象地描述二极管的单向导电性。
若以电压为横坐标，电流为纵坐标，用作图法把电压、电流的对应值用平滑的曲线连接起来，就构成二极管的伏安特性曲线，如下图所示（图中虚线为锗管的伏安特性，实线为硅管的伏安特性）。
下面对二极管伏安特性曲线加以说明：
1.正向特性
二极管两端加正向电压时，就产生正向电流，当正向电压较小时，正向电流极小（几乎为零），这一部分称为死区，相应的A（A&）点的电压称为死区电压或门槛电压（也称阈值电压），硅管约为0.5V，锗管约为0.1V，如图中OA（OA&）段。
当正向电压超过门槛电压时，正向电流就会急剧地增大，二极管呈现很小电阻而处于导通状态。这时硅管的正向导通压降约为0.6~0.7V，锗管约为0.2~0.3V，如图中AB（A&B&）段。
二极管正向导通时，要特别注意它的正向电流不能超过最大值，否则将烧坏PN结。
2.反向特性
二极管两端加上反向电压时，在开始很大范围内，二极管相当于非常大的电阻，反向电流很小，且不随反向电压而变化。此时的电流称之为反向饱和电流IR，见图中OC（OC&）段。
3.反向击穿特性
二极管反向电压加到一定数值时，反向电流急剧增大，这种现象称为反向击穿。此时对应的电压称为反向击穿电压，用UBR表示，如图1.11中CD（C&D&）段。
4.温度对特性的影响
由于二极管的核心是一个PN结，它的导电性能与温度有关，温度升高时二极管正向特性曲线向左移动，正向压降减小;反向特性曲线向下移动，反向电流增大。
二极管的分类
一、按半导体材料分类
二极管按其使用的材料可分为锗（Ge）二极管、硅（Si）二极管、砷化镓（GaAs）二极管、磷化镓（GaP）二极管等。
二、按封装形式分类
二极管按其封装形式可分为塑料二极管、玻璃二极管、金属二极管、片状二极管、无引线圆柱形二极管。
三、按结构分类
半导体二极管主要是依靠PN结而工作的。与PN结不可分割的点接触型和肖特基型，也被列入一般的二极管的范围内。包括这两种型号在内，根据PN结构造面的特点，把晶体二极管分类如下：
1、点接触型二极管
点接触型二极管是在锗或硅材料的单晶片上压触一根金属针后，再通过电流法而形成的。因此，其PN结的静电容量小，适用于高频电路。但是，与面结型相比较，点接触型二极管正向特性和反向特性都差，因此，不能使用于大电流和整流。因为构造简单，所以价格便宜。对于小信号的检波、整流、调制、混频和限幅等一般用途而言，它是应用范围较广的类型。
2、键型二极管
键型二极管是在锗或硅的单晶片上熔接或银的细丝而形成的。其特性介于点接触型二极管和合金型二极管之间。与点接触型相比较，虽然键型二极管的PN结电容量稍有增加，但正向特性特别优良。多作开关用，有时也被应用于检波和电源整流（不大于50mA）。在键型二极管中，熔接金丝的二极管有时被称金键型，熔接银丝的二极管有时被称为银键型。
3、合金型二极管
在N型锗或硅的单晶片上，通过合金铟、铝等金属的方法制作PN结而形成的。正向电压降小，适于大电流整流。因其PN结反向时静电容量大，所以不适于高频检波和高频整流。
4、扩散型二极管
在高温的P型杂质气体中，加热N型锗或硅的单晶片，使单晶片表面的一部变成P型，以此法PN结。因PN结正向电压降小，适用于大电流整流。最近，使用大电流整流器的主流已由硅合金型转移到硅扩散型。
5、台面型二极管
PN结的制作方法虽然与扩散型相同，但是，只保留PN结及其必要的部分，把不必要的部分用药品腐蚀掉。其剩余的部分便呈现出台面形，因而得名。初期生产的台面型，是对半导体材料使用扩散法而制成的。因此，又把这种台面型称为扩散台面型。对于这一类型来说，似乎大电流整流用的产品型号很少，而小电流开关用的产品型号却很多。
6、平面型二极管
在半导体单晶片（主要地是N型硅单晶片）上，扩散P型杂质，利用硅片表面氧化膜的屏蔽作用，在N型硅单晶片上仅选择性地扩散一部分而形成的PN结。因此，不需要为调整PN结面积的药品腐蚀作用。由于半导体表面被制作得平整，故而得名。并且，PN结合的表面，因被氧化膜覆盖，所以公认为是稳定性好和寿命长的类型。最初，对于被使用的半导体材料是采用外延法形成的，故又把平面型称为外延平面型。对平面型二极管而言，似乎使用于大电流整流用的型号很少，而作小电流开关用的型号则很多。
7、合金扩散型二极管
它是合金型的一种。合金材料是容易被扩散的材料。把难以制作的材料通过巧妙地掺配杂质，就能与合金一起过扩散，以便在已经形成的PN结中获得杂质的恰当的浓度分布。此法适用于制造高灵敏度的变容二极管。
8、外延型二极管
用外延面长的过程制造PN结而形成的二极管。制造时需要非常高超的技术。因能随意地控制杂质的不同浓度的分布，故适宜于制造高灵敏度的变容二极管。
9、肖特基二极管
基本原理是：在金属（例如铅）和半导体（N型硅片）的接触面上，用已形成的肖特基来阻挡反向电压。肖特基与PN结的整流作用原理有根本性的差异。其耐压程度只有40V左右。其特长是：开关速度非常快：反向恢复时间trr特别地短。因此，能制作开关二极和低压大电流整流二极管。
非常好我支持^.^
不好我反对
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( 发表人：方泓翔 )
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